量子計算，作為一種遵循量子力學規律來調控量子信息單元進行計算的新模式；相對於經典計算機的比特位（bits）來說，量子比特的處理速度更快，更適合於高速數據搜索，也將進一步完善網絡安全，其被人們寄予厚望。
它可以快到什麼程度？一旦量子計算機成功問世，那人們或許就需要改變現有的全部密碼和信息保護方式，因為它可以在幾秒鐘內實現「暴力破解」。
即便它可以如此高效地運算，但其內部數據傳輸的方式就和綜藝節目裡常玩的 「傳話遊戲」 類似——每個量子比特向身邊最近的下一個進行溝通，雖然不會像遊戲一般因為戴上耳機而發生傳遞錯誤，但這種信息 「挨家挨戶」 傳遞的方式似乎也並不顯得那麼的前沿並且快速。
不過如今，來自美國普林斯頓大學的研究團隊突破了這一信息傳遞限制，他們證明了兩個量子計算組件，也就是 「自旋」 矽量子比特在計算機晶片中，即便它們相距較遠也可以相互作用。這項研究成果發表在了最新一期的 Nature 雜誌上。普林斯頓大學物理系的學生 Felix Borjans、聯合研究學者 Xanthe G. Croot、Michael J. Gullans，現已在谷歌工作的 X. Mi，以及 「尤金 · 希金斯」 物理學教授 Jason R. Petta 共同完成了該研究。
圖 | 研究團隊照片（來源：Felix Borjans, Princeton University）
突破量子比特信息傳輸限制
作為這項研究的負責人，Jason R. Petta 表示：「在矽晶片上跨越這個距離來傳輸信息的能力，將為我們的量子硬體帶來新的功能。」
對於該研究的目標，Petta 解釋道：「我們的最終目標是在一個二維網格中排列出多個量子比特，從而讓其執行更為複雜的計算。從長遠的角度來看，這項研究有助於改善單一晶片上、還有晶片與晶片之間的量子位元通信情況。」
量子計算機之所以具有極大應用潛力，主要在於和傳統計算機的二進位相比，其比特都有 0 和 1 的狀態；但是量子計算機還存在一個 0 和 1 之間的任意線性組合，屬於一種像 「薛丁格的貓」 一樣的疊加狀態。如果將多個量子比特放在一起，這些疊加狀態之間又互有關聯，就能存儲和計算更多的數據。
簡言之，多個量子比特在某一次操作之後不是僅代表多個比特 「0」 和「1」的一種組合，而是可以代表所有可能的態。這樣在運算的時候，採用量子比特則是把所有態一起計算，可大大加快運算速度。而如果還能進一步讓量子比特超越 「面對面」 的距離進行聯繫，則可能更大程度增加量子計算機的潛力。
所以，讓成千上萬個量子比特可以相互通信是量子計算機這個 「未來化」 項目的關鍵。目前，來自谷歌、IBM ，以及其他公司的量子計算機原型已包含幾十個量子比特，這些量子比特都是由超導電路技術製造的。但許多技術專家認為：從長遠來看，基於矽的量子比特更有前途。
另外，矽自旋量子比特保持其量子態的時間，要長於超導電路量子比特的量子態時間。同時，矽作為在日常生活中被廣泛應用的電子元件材料，其生產成本較低。但應用矽的話，就需要面對一個巨大的挑戰：矽自旋量子比特是由單個電子構成的，並且尺寸非常之小，難以建立很好的連接。
圖 | 自旋矽量子比特在晶片上和另一個較遠的進行通信（來源：Felix Borjans, Princeton University）
為解決這一問題，研究人員通過一根 「電線」 將量子比特連接起來，這條 「電線」 的形態與連入家庭的光纖電線比較相似。不過，不同的是導線實際上是包含著一個光粒子或光子的狹窄腔體，它從一個量子比特接收信息並將其傳送給下一個。
這兩個量子比特之間的距離大約是半釐米，和一粒大米的長度相當。從尺寸角度進行類比，如果每個量子比特都像一棟房子那般大小，那麼這個量子比特就可以向 1200 公裡之外（距離和北京到上海相當）的另一個量子比特發送信息。
能進行信息溝通的關鍵，就是要讓不同量子比特之間，以及腔體中的光子「說同一種語言」，而這也是該研究的關鍵之處。研究人員嘗試將這三種粒子調節到一個相同的振動頻率，最終成功地調整好兩個獨立的量子比特，並將它們耦合到了光子上。在此之前，這種設備的結構只能允許一個量子比特和光子耦合。
論文的第一作者、研究生 Felix Borjans 對外表示：「你必須平衡晶片兩邊的量子比特能量和光子能量，才能讓這三種元素互相交流，這是工作中真正具有挑戰性的部分。」
每個量子比特都由捕獲了一個電子的、被稱為 「雙量子點」 的小空間組成。電子具有一種叫作 「自旋」 的特性，它可以指向上或下兩個方向，就像指南針指向南北一樣。通過用微波場轟擊電子，研究人員可以上下翻轉自旋，從而控制量子比特處於 0 或 1 的量子態。
更貼近產業的量子計算裡程碑
這項研究一經發表，便在物理學界引發廣泛關注。全球知名的物理研究門戶網站 Phys.org 在發布這項研究新聞之後，短時間內就得到了超過 2000 次的轉發。當然，相比起來，評論數多少顯得有些「寂寞」；或許是只有業界大佬才能點評一二。
圖 | Phys.org 官網截圖（來源：Phys.org）
美國 HRL 實驗室的高級科學家，也是與此研究合作過的 Thaddeus Ladd 對媒體說：「這是第一個能證明矽中電子自旋之間的距離遠遠大於容納電子自旋糾纏態的裝置。不久以前，由於對微波耦合自旋的要求，以及要避免矽基器件中移動的噪聲電荷的相互衝突，人們對這是否可行產生了懷疑。」
「而這是矽量子比特的一個重要的可能性證明，它為如何連接量子比特，以及在未來設計基於矽的量子微晶片的幾何布局上增加了相當大的靈活性。」Thaddeus 補充道。
這項研究的成功，建立在 Jason R. Petta 團隊過往在該領域的大量研究工作，以及其他科研人員相關突破的基礎之上。此前， Science 和 Nature 兩大雜誌上發表了不少與之相關的技術發展文章。
在 2010 年發表於 Science 雜誌上的一篇論文中，物理學家證明了在量子阱中捕獲單個電子是可能的。在 2012 年的 Nature 雜誌上，又報導了從納米線中的電子自旋向微波頻率的光子傳遞量子信息的過程。四年後，2016 年的 Science 雜誌則體現了從矽基電荷量子比特向光子傳遞信息的能力。
最近兩年的研究結果則更為 Petta 團隊提供了實驗基礎。 2017 年， Science 雜誌上展示了如何以量子比特為單位的近鄰信息交換；隨後，在 2018 年的 Nature 雜誌上又展示出一個矽自旋量子比特與一個光子交換信息的實驗。而正是該領域學者們的不斷積累，最終幫助 Petta 的研究團隊完成了此次研究突破。
圖 | 左為 James Clarke；右為 Jelena Vuckovic（來源：Wiki）
英特爾量子硬體主管 James Clarke 表示：「多個量子比特之間的布線或互連，是大規模量子計算機面臨的最大挑戰。而 Petta 的團隊在證明自旋量子比特可以長距離耦合方面做出了卓越的成果。」
史丹福大學電氣工程學教授 Jelena Vuckovic，也是「黃仁勳全球影響力」教授稱號獲得者對此評價：「這項可以證明量子比特之間的長距離相互作用的成果，對於進一步發展諸如模塊化量子等量子技術至關重要，是朝著這一目標邁進的重要裡程碑。因為它證明了由微波光子介導的、間隔超過 4 毫米的兩個電子自旋之間的非局部相互作用。」
她還特別強調：「在電路中，該團隊採用的是矽和鍺這種半導體工業中大量使用的材料。而這會讓研究更具有實用價值。」